JP3914909B2 - ガスタービンエンジンの圧縮機のステータ羽根とケーシングと間の振動を減衰させる装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にガスタービンの圧縮機内のステータ羽根に関し、具体的には、エンジンケーシングからステータ羽根に伝達される振動の減衰に関する。

ガスタービンエンジンのケースが、エンジン作動中に種々のモード周波数で振動することは知られている。これらのモード振動は、広範囲な振動モードの形及び異なったレベルの振動変位を持つ。エンジンの低圧圧縮機及び／又は高圧圧縮機用の固定されたステータ羽根は一般的にエンジンケースに取付けられていることは分かるであろう。このことは、例えばケースの内面に設けられたレール内にステータ羽根を滑り込ませることによって、或いはケース内における分割線の間にフランジを捕捉することによって達成されることができる。両方の場合において、エンジンケースの少なくとも一部の振動エネルギーが、ステータ羽根に伝達される。このようなステータ羽根における個々のステータ羽根及び／又はシュラウド装置は、ケースのモードとほぼ同期した周波数モードで振動する可能性があり、摩耗損傷及び／又は高サイクル疲労損傷の可能性が生じる。

このような損傷の可能性を防止するために、従来の技術におけるガスタービンエンジンでは、様々な解決策が用いられてきた。１つの解決策は、損傷を与える可能性のある振動モードを取り除くようにエンジンケースを再設計することであった。別の解決策は、ケースの振動モードと同期する振動モードを取り除くようにステータ羽根又は羽根／シュラウド装置を再設計することであった。更に、特許文献１及び特許文献２に見られるように、減衰部材及び他の振動減衰装置をシュラウド／羽根先端領域に付加して、そのようなステータ羽根が受ける振動を減衰させてきた。更に別の解決策は、特許文献３に見られるように、ステータ羽根の基部へ機械式減衰バネを付加することであった。しかしながら、これらの解決策のいずれも、エンジンケーシングからステータ羽根が受ける振動を能動的に変化させるものではなかった。
米国特許第４，８７２，８１２号 特開２００１−２０７９９８号 米国特許第５，６８１，１４２号明細書

従って、エンジンケーシングから圧縮機のステータ羽根への振動を減衰させるステータ羽根組立体が開発されることが望まれる。また、製造及び修理を容易にするために容易に組み立て及び分解をすることができるステータ羽根組立体も望まれている。

本発明の第１の実施形態において、ガスタービンエンジンの圧縮機用のステータ羽根組立体が開示され、該ステータ羽根組立体は、内側部分及び外側部分を有するステータ羽根と、ステータ羽根の外側部分に取付けられたプラットホームと、ステータ羽根の外側プラットホームが、該外側プラットホームとの間にオープンエリアが画定されるように取付けられた、ガスタービンエンジン用のケーシングと、画定されたオープンエリア内部に配置された、ケーシングから外側プラットホームに伝達される振動を減衰させるための部材とを含む。

本発明の第２の実施形態において、圧縮機を囲む第１及び第２の周方向フランジを有する分割線型ケーシングを含むようなガスタービンエンジンの圧縮機用のステータ羽根組立体が、開示される。該ステータ羽根組立体は、内側部分及び外側部分を有するステータ羽根と、ステータ羽根の外側部分に取付けられたプラットホームと、ステータ羽根の外側プラットホームとケーシングとの間にオープンエリアが画定されるように、分割線型ケーシングの第１と第２の周方向フランジの間に配置されかつ該周方向フランジに取付けられた、該外側プラットホームから延びるフランジと、ケーシングの画定されたオープンエリア内部に配置された、該ケーシングから外側プラットホームに伝達される振動を減衰させるための部材とを含む。

本発明の第３の実施形態によると、圧縮機を囲むケーシングを含み、該ケーシングがその内面に沿って配置された複数のレール部材を有するようなガスタービンエンジンの圧縮機用のステータ羽根組立体が、開示される。該ステータ羽根組立体は、内側部分及び外側部分を有するステータ羽根と、ステータ羽根の外側部分に取付けられた外側プラットホームと、ステータ羽根の外側プラットホームとケーシングとの間にオープンエリアが画定されるように、該ケーシングのレール部材内部に配置されかつ該レール部材に取付けられた、該外側プラットホームから延びる１対の端部部材と、画定されたオープンエリア内部に配置された、ケーシングから外側プラットホームに伝達される振動を減衰させるための部材とを含む。

本発明の第４の態様によると、エンジンケーシングから該ケーシングに結合された圧縮機のステータ羽根への振動を減衰させる方法が開示され、該方法は以下の段階、すなわち、ステータ羽根の外側プラットホームをケーシングに対して、該外側プラットホームと該ケーシングとの間にオープンエリアが画定されるように配置する段階と、画定されたオープンエリア内部に減衰部材を設ける段階と、外側プラットホームをケーシングに取付ける段階とを含む。ケーシングは、第１及び第２の周方向フランジが互いに組み合わされるような分割線型構成を有し、第１及び第２の周方向フランジ間に配置されかつ該周方向フランジに結合された、外側プラットホームから延びるフランジによって、該外側プラットホームがケーシングに取付けられることができる。それに代えて、ケーシングは、第１及び第２の軸方向フランジが互いに組み合わされるようなクラムシェル型構成を有し、外側プラットホームが、ケーシングの内面に組み込まれたレール部材によって該ケーシングに取付けられることができる。

さて、図面において同一の符号は図を通して同じ要素を示しているが、その図面を詳細に参照すると、図１は全体を参照番号１０で表した例示的なガスタービンエンジンを示している。ガスタービンエンジン１０は、一般的に船舶用及び産業用の用途で使用され、直列に配置された状態で、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、ブースタ圧縮機１３、燃焼器１６、高圧タービン１８、及び低圧タービン２０を含む。第１のシャフト２２が、高圧タービン１８と高圧圧縮機１４とを結合し、一方、第２のシャフト２４が、低圧タービン２０と低圧圧縮機１２とを結合していることが分かるであろう。図１には基準の目的で、縦軸線２５が示されている。

図２に見られるように、ガスタービンエンジン１０は、高圧圧縮機１４近くの軸方向位置における分割線型構成を有するケーシング２６を含む。このことは、第１の周方向フランジ２８と第２の周方向フランジ３０とが、突き合わせ状態で、複数の周方向に間隔を置いて配置されたピン３２により又はそのフランジを結合する他の類似の装置により結合されていることから明らかである。高圧圧縮機１４における特定の段のステータ羽根（１つのステータ羽根３４が示されている）が、ケーシング２６における分割線の直ぐ下流に配置されていることに注目されたい。ステータ羽根３４は、フランジ２８及び３０に近接しているため、ケーシング２６の振動をより受けやすい可能性がある。上で説明したように、このようなケーシング振動は、異なる変位レベルを有する広範囲な振動モードの形を持つ。このようなケーシング振動がステータ羽根３４に与える影響を減少させるために、減衰部材３６が、各ステータ羽根３４の外側部分４０とケーシング２６との間に画定されたエリア３８内部に配置されることが好ましい。

より具体的には、当該技術で公知なように、各ステータ羽根３４の内側部分４２のタング４１がシュラウド４５内に配置されたブッシュ４４内に保持されていることが、図２及び図３から分かるであろう。各ステータ羽根３４の外側部分４０は、ケーシング２６により保持されたプラットホーム４７に取付けられており、該ケーシング２６において、外側プラットホーム４７は、該ケーシング２６の対応するスロット４８内に適合する寸法にされたほぼＬ字形の設計を持つ第１の又は下流側の端部４６を含むのが好ましい。各外側プラットホーム４７の第２の又は上流側の端部５０は、ケーシング２６のそれぞれ第１及び第２の周方向フランジ２８及び３０の間に突き合わせ状態で挿入されるような形状及び寸法にされたフランジであることが好ましい。各フランジ５０は更に、それを通して１つ又はそれ以上のピン３２が挿入される、該フランジを貫通する少なくとも１つの開口部を含む。各外側プラットホーム４７は更に、ケーシング２６にほぼ平行に延びる、上流側端部５０と下流側端部４６とを結合する中間部５２を含む。各外側プラットホーム４７及びケーシング２６のそれぞれの形状により、それらの間に個々のオープンエリア３８が画定されることが分かるであろう。ケーシング２６から各外側プラットホーム４７（従って、各ステータ羽根の外側部分４０）が受ける振動を減衰させるために、減衰部材３６が、各画定オープンエリア３８内部に配置されることが好ましい。

減衰部材３６は、弾性材料で作られるのが好ましく、該弾性材料は、各画定エリア３８内部に配置される前に予備成形されかつ硬化処理されるのが好ましい。各減衰部材３６は、各画定エリア３８の一部のみの範囲（図３）に延びるか、或いは各画定エリア３８のほぼ全ての範囲（図４）に延びる寸法とすることができることが分かるであろう。弾性材料は、一定の予め定められたパラメータを満たすのが好ましく、該パラメータには高温下でその特性を維持する能力が含まれることを理解されたい。具体的には、各減衰部材３６の弾性材料は、少なくとも約１４９°Ｃ（３００°Ｆ）の温度において、より好ましく少なくとも約１９１°Ｃ（３７５°Ｆ）の温度において、最適には少なくとも約２３２°Ｃ（４５０°Ｆ）の温度においてその弾性特性を維持することになるのが好ましい。このような弾性材料の１つの例は、マサチューセッツ州ピッツフィールドのＧＥ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社で製造された、レッドオキシドＲＴＶ（室温加硫ゴム（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ Ｒｕｂｂｅｒ））として知られている。従って、減衰部材３６は、低圧圧縮機１２及び／又はブースタ圧縮機１３の温度環境内に配置されたステータ羽根及びプラットホームに対して同様の機能をもたらすことができる。

減衰部材３６を画定エリア３８内部に配置するとき、各ステータ羽根３４及びそのプラットホーム４７がケーシング２６に結合される間、接着剤の層５４を該減衰部材３６に適用して、該減衰部材３６を所定の位置に保持するようにすることが好ましい。接着剤層５４は、ひとたびガスタービンエンジン１０が作動状態になると、分解又は焼失することができ、それによって減衰部材３６が画定エリア３８内に摩擦接触するか、又は該画定エリア３８内で浮動可能になるかのいずれかになることが分かるであろう。図７に見られるように、予備成形されかつ硬化処理された状態における減衰部材３６は、形状がほぼ矩形として示されているが、該減衰部材３６がケーシング２６とステータ羽根３４との間で所望の減衰機能を発揮する限り、あらゆる形状及び寸法を用いることができる。同様に、より良好な可撓性と組付け性を得るために、複数の溝５６が減衰部材３６に形成される（図７）ことが好ましい。しかしながら、各画定エリア３８内部での各減衰部材３６及び溝５６の配向により、本発明に限定を加えるべきではないと考える。

ステータ羽根組立体における別の構成が、図５及び図６に示されており、ここでは、そのケーシング５８は、軸方向に連続しているが、対向する半径方向端部（その１つだけが図示されている）においてクラムシェル型の設計で結合された一対のフランジ６０及び６２を有する。このケーシングの構成は更に、その内面に沿って複数の間隔を置いて配置されたレール部材６４を備え、ケーシング５８の組み立てに先立ってこのレール部材６４内に複数のステータ羽根６６が挿入され保持される。従って、オープンエリア６８が、ケーシング５８と各ステータ羽根６６の外側プラットホーム７０との間に画定されることが分かるであろう。各外側プラットホーム７０は更に、レール部材６４の対応するポケット７５及び７７内部に受け入れられる一対の端部材７１及び７３を含む。上述したのと同様の減衰部材７２が、ケーシング５８から外側プラットホーム７０及びステータ羽根６６が受ける振動を減衰させるように、各画定エリア６８内部に配置されることが好ましい。勿論、そのような減衰部材７２は、オープンエリア６８内部に適合し、かつその意図する機能を達成するような寸法及び形状であることが好ましい。

ケーシング５８と各ステータ羽根の外側部分７０との間の画定エリア６８へのアクセスは、前に述べた分割線型ケーシング２６におけるステータ羽根３４の段に対する場合ほど簡単ではなく、弾性材料は、そのようなエリア６８の中へ圧搾して押し込まれるか、又は、「その場において」、所定の位置で硬化させて減衰部材７２として機能させるかのいずれかとすることができることを理解されたい。このような方法で弾性材料を設けることにより、減衰部材７２はオープンエリア６８に対してより緊密な寸法とすることができる。この方法はまた、図４に示すような分割線型ケーシング２６にも利用することができる。

減衰部材３６及び７２は、それぞれケーシング２６及び５８から外側プラットホーム４７及び７０が受ける振動を、少なくとも約１０％ほど減少させるのが好ましいことを理解されたい。減衰部材３６及び７２は、ケーシング２６及び５８からの振動を、少なくとも約２０％ほど、最適には少なくとも約３０％ほど減少させることができるのがより好ましい。

更に、ケーシング２６からステータ羽根３４への振動を減衰させる方法を、提示していることを理解されたい。より具体的には、そのような方法は、ステータ羽根３４の外側プラットホーム４７をケーシング２６に対して、それらの間にオープンエリア３８が画定されるように配置する段階と、ケーシング２６のそのような画定されたオープンエリア３８内部に弾性材料で作られた減衰部材３６を設ける段階と、オープンエリア３８内部に減衰部材３６を固定する段階とを含む。その後、外側プラットホーム４７が減衰部材３６に隣接して保持され、ケーシング２６からの振動が減衰されるように、ステータ羽根３４がケーシング２６に取付けられる。これらの段階に先立ち、減衰部材３６は、その中に溝を形成するのを含めて予備成形されかつ硬化処理され、その表面に接着剤層５４が適用されるのが好ましい。外側プラットホーム４７は、該外側プラットホームから延びかつケーシング２６の向かい合ったフランジ２８及び３０の間に配置されたフランジ５０によって、ケーシング２６に取付けられ、所定の位置に保持される。

また、ケーシング５８からステータ羽根６６への振動を減衰させる別の方法を、説明する。この方法は、ステータ羽根６６の外側プラットホーム７０を、ケーシング５８の中に組み込まれたレール部材６４内に、それらの間にオープンエリア６８が画定されるように配置する段階と、そのような各画定オープンエリア６８内部に弾性材料で作られた減衰部材７２を設ける段階とを含む。更に、減衰部材７２は、各画定エリア６８の中へ圧搾して押し込まれることができ、また硬化するようにされることができる。

本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、当業者は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、適切な変更によって、ステータ羽根組立体及びその減衰部材の別の改良形態を達成することができる。具体的には、減衰部材３６は、ガスタービンエンジン１０の高圧圧縮機１４のステータ羽根に使用されるものとして説明したが、該減衰部材３６は、あらゆる圧縮機のいかなるステータ羽根にも利用可能である。更に、本発明は、明細書で開示したもの以外の他の形状を持つエンジンケーシングにも使用可能である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明のステータ羽根組立体を有する圧縮機を含む例示的なガスタービンエンジンの縦方向断面図。 本発明によるステータ羽根組立体の実施形態を示す、図１に示した分割線型圧縮機の部分断面図。 ステータ羽根とエンジンケーシングとの間の画定されたエリア内に配置された減衰部材を含む、図２に示したステータ羽根組立体の拡大断面図。 ステータ羽根とエンジンケーシングとの間の画定されたエリア内に配置された別の減衰部材を含む、図２に示したステータ羽根組立体の拡大断面図。 本発明によるステータ羽根組立体の実施形態を示す、別のケーシング構成を有するエンジンの部分断面図。 ステータ羽根とエンジンケーシングとの間の画定されたエリア内に配置された減衰部材を含む、図５に示したステータ羽根組立体の拡大断面図。 図３及び図６に示した減衰部材の拡大斜視図。

符号の説明

２６ ケーシング
２８、３０ 周方向フランジ
３４ ステータ羽根
３６ 減衰部材
３８ オープンエリア
４５ シュラウド
４６ 外側プラットホームの下流側端部
４７ 外側プラットホーム
４８ スロット
５０ フランジ
５４ 接着剤層

Claims (11)

1. エンジンケーシング（２６／５８）から該ケーシング（２６／５８）に結合された圧縮機（１４）のステータ羽根（３４／６６）への振動を減衰させる方法であって、
   （ａ）前記ステータ羽根（３４／６６）の外側部分（４０）に取付けられ且つ該外側部分（４０）が貫通されていない外側プラットホーム（４７／７０）を前記ケーシング（２６／５８）に対して、該外側プラットホームと該ケーシングとの間にオープンエリア（３８／６８）が画定されるように配置する段階と、
   （ｂ）前記ステータ羽根の内側部分（４２）を保持する段階と、
   （ｃ）前記ケーシング（２６／５８）の前記画定されたオープンエリア（３８／６８）内部に減衰部材（３６／７２）を設ける段階と、
   （ｄ）前記外側プラットホーム（４７／７０）を前記ケーシング（２６／５８）に取付ける段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ケーシング（２６）が、第１及び第２の周方向フランジ（２８、３０）が互いに組み合わされるような分割線型構成を有し、前記第１及び第２の周方向フランジ（２８、３０）間に配置されかつ該周方向フランジ（２８、３０）に結合された、前記外側プラットホーム（４７）から延びるフランジ（５０）によって、該外側プラットホーム（４７）が前記ケーシング（２６）に取付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ケーシング（５８）が、第１及び第２の軸方向フランジ（６０、６２）が互いに組み合わされるようなクラムシェル型構成を有し、前記外側プラットホーム（７０）が、前記ケーシング（５８）の内面に組み込まれたレール部材（６４）によって該ケーシング（５８）に取付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１４）用のステータ羽根組立体であって、
   （ａ）保持された状態にある内側部分（４２）及び外側部分（４０）を有するステータ羽根（３４／６６）と、
   （ｂ）前記ステータ羽根（３４／６６）の前記外側部分（４０）に取付けられ且つ該外側部分（４０）が貫通されていないプラットホーム（４７／７０）と、
   （ｃ）前記ステータ羽根（３４／６６）の前記外側プラットホーム（４７／７０）が、該外側プラットホームとの間にオープンエリア（３８／６８）が画定されるように取付けられた、前記ガスタービンエンジン（１０）用のケーシング（２６／５８）と、
   （ｄ）前記画定されたオープンエリア（３８／６８）内部に配置された、前記ケーシング（２６／５８）から前記外側プラットホーム（４７／７０）に伝達される振動を減衰させるための部材（３６／７２）と、
   を含むことを特徴とするステータ羽根組立体。
5. 前記減衰部材（３６／７２）が、前記画定エリア（３８／６８）内部に接着剤層（５４）により保持されていることを特徴とする、請求項４に記載のステータ羽根組立体。
6. 前記減衰部材（３６／７２）が、前記画定エリア（３８／６８）内部に配置される前に、予備成形されかつ硬化処理されていることを特徴とする、請求項４に記載のステータ羽根組立体。
7. 前記減衰部材（３６／７２）が、その表面に形成された複数の溝（５６）含むことを特徴とする、請求項４に記載のステータ羽根組立体。
8. 前記ケーシング（２６）が、第１及び第２の周方向フランジ（２８、３０）が互いに組み合わされるような分割線型構成を有し、前記外側プラットホーム（４７）が更に、前記ケーシング（２６）の前記第１と第２の周方向フランジ（２８、３０）の間に位置するフランジ（５０）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のステータ羽根組立体。
9. 圧縮機（１４）を囲む第１及び第２の周方向フランジ（２８、３０）を有する分割線型ケーシング（２６）を含むようなガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１４）用のステータ羽根組立体であって、
   （ａ）内側部分（４２）及び外側部分（４０）を有するステータ羽根（３４）と、
   （ｂ）前記ステータ羽根（３４）の前記外側部分（４０）に取付けられたプラットホーム（４７）と、
   （ｃ）前記外側プラットホーム（４７）と前記ケーシング（２６）との間にオープンエリア（３８）が画定されるように、前記分割線型ケーシング（２６）の前記第１と第２の周方向フランジ（２８、３０）の間に配置されかつ該周方向フランジ（２８、３０）に取付けられた、該外側プラットホーム（４７）から延びるフランジ（５０）と、
   （ｄ）前記ケーシング（２６）の前記画定されたオープンエリア（３８）内部に配置された、該ケーシング（２６）から前記外側プラットホーム（４７）に伝達される振動を減衰させるための部材（３６）と、
   を含むことを特徴とするステータ羽根組立体。
10. 圧縮機（１４）を囲む、第１及び第２の軸方向フランジ（６０、６２）が互いに組み合わされるようなクラムシェル型構成を有するケーシング（５８）を含み、該ケーシング（５８）がその内面に沿って配置された複数のレール部材（６４）を有するようなガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１４）用のステータ羽根組立体であって、
    （ａ）保持された状態にある内側部分（４２）及び外側部分（４０）を有するステータ羽根（６６）と、
    （ｂ）前記ステータ羽根（６６）の前記外側部分に取付けられ且つ該外側部分（４０）が貫通されていない外側プラットホーム（７０）と、
    （ｃ）前記ステータ羽根の外側プラットホーム（７０）と前記ケーシング（５８）との間にオープンエリア（６８）が画定されるように、前記ケーシング（５８）の前記レール部材（６４）内部に配置されかつ該レール部材（６４）に取付けられた、該外側プラットホーム（７０）から延びる１対の端部部材（７１、７３）と、
    （ｄ）前記画定されたオープンエリア（６８）内部に配置された、前記ケーシング（５８）から前記外側プラットホーム（７０）に伝達される振動を減衰させるための部材（７２）と、
    を含むことを特徴とするステータ羽根組立体。
11. 前記減衰部材（７２）が、弾性材料で作られていることを特徴とする、請求項４、９又は１０に記載のステータ羽根組立体。

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